滴灌水肥一體化對枸杞產量、水氮利用及經濟效益的影響

劉朋召，李孟浩?，宋仰超，楊 東，高曉東，任小龍，陳小莉*

（1 西北農林科技大學農學院, 陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學水土保持研究所, 陜西楊凌 712100）

柴達木盆地水資源短缺，但可開發土地資源相對豐富，氣候常年干燥，年均降雨量不足250 mm，該地區耕地面積3.97×104hm2，占柴達木地區土地面積的0.16%，是我國典型的大陸性荒漠氣候干旱區[1–2]。枸杞具有抗旱耐鹽堿的特性，是理想的經濟生態兼用樹種，在防治沙化和水土保持方面發揮著巨大的環保作用。目前枸杞產業是當地農業產業結構調整的重要手段，也是改善生態環境、增加農業和農民收入的有效途徑[3–5]。當前柴達木盆地枸杞生產中，多數農民仍按照“豐水高產”的理論采用大水漫灌或全生育期充分灌溉等模式進行枸杞種植，漫灌方式下枸杞全年用水量為 12×103～13.5×103m3/hm2，不僅造成水資源浪費，還會帶來水分利用效率低、樹冠營養生長旺盛以及果實品質下降等一系列問題[6–8]。節水滴灌條件下，水用量大幅減少為3450～4500 m3/hm2，種植30000 hm2枸杞一年可節水2.7億m3，節水率達60%以上[9]。因此，基于枸杞種植節水增產提質的目標，制定科學合理的施肥灌溉制度，成為實際生產中亟待解決的科學問題。

前人有關水肥一體化試驗多集中于小麥、水稻等糧食作物[10–12]，有關枸杞的試驗研究相對匱乏，且前人對于枸杞的相關研究多關注施肥或灌水單因素[13–20]，基于枸杞生產、經濟效益和環境效益來確定水肥管理多目標優化的研究仍然匱乏。因此，本研究以滴灌水肥一體化為背景，重點研究不同灌溉和施肥制度對枸杞產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和經濟效益的影響，分析和量化枸杞產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和經濟效益對灌溉量和施氮量的響應，以枸杞的多重目標為基礎，通過空間分析確定適宜的灌溉量和施氮量，以達到高產高效和節水節肥的目的，同時為滴灌水肥一體化技術推廣提供指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于青海省海西州德令哈市懷頭他拉灌區防沙治沙公司枸杞園 (96°44′19.01″E，37°21′34.91″N，海拔約2868 m)。當地屬于高原大陸氣候，年平均氣溫為3℃，年最冷月份為1月，平均氣溫為–13℃，最熱月份為7—8月，平均氣溫為17℃～23℃，降水量少，蒸發量大，5月至9月降水量占全年的80%以上，年降水量大約160 mm；日照充足，太陽輻射強烈，無霜期短，無霜期日數為90天左右。供試土壤深厚，為沙壤土，質地疏松，容重1.5 g/cm3，土壤微團聚體中粒徑小于0.2 mm的組分比例高達65.3%，大于0.25 mm占20.04%。試驗區0—100 cm土層土壤其他物理性狀如表1所示。試驗前0—50 cm土壤全氮為0.36 g/kg、全磷為0.58 g/kg、全鉀為 2.35 g/kg、有效氮為 108.2 mg/kg、有效磷為 3.97 mg/kg、速效鉀為 2.60 mg/kg、有機質0.37 g/kg。2018、2019年試驗處理期間有效降水量分別為133.4、103.6 mm，生育期日降雨量和日平均溫度如圖1所示。

表1 試驗區0—100 cm土層土壤物理性狀Table 1 Soil physical properties of 0–100 cm soil layer at the experimental site

圖1 2018和2019年枸杞生育期日降雨量和日均溫度Fig. 1 Daily rainfall and daily average temperature during wolf berry growing season in 2018 and 2019

1.2 試驗設計

本試驗以當地高水高氮灌溉處理為對照(W1N1)，其灌水量為 198 m3/hm2，施氮量為 345 kg/hm2。灌水量設置為減水20%灌溉(158 m3/hm2，W2)、減水40%灌溉(119m3/hm2，W3)，施氮量設置為減氮20%施肥 (276 kg/hm2, N2)、減氮 40% 施肥 (207 kg/hm2,N3)，采用二因素三水平完全隨機組合大田試驗，共設9個處理，3次重復，各處理隨機區組排列。供試枸杞品種為兩年生‘寧杞7號’，苗木由懷頭他拉鎮防沙治沙公司提供，于2015年4月23日定植。供試氮磷鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。試驗采用壟溝栽培，壟高15 cm，壟寬50 cm，每個小區壟長15 m，壟上全部鋪設黑色地布，其可以保水保墑，利于枸杞生長。滴灌帶放置于壟溝土層下5 cm處，滴灌帶距離枸杞株干10 cm。小區面積為7.5 m2，試驗區總面積 202.5 m2，枸杞株行距 0.5 m×3.0 m，單行定植。病蟲害防治措施與當地相同。

水肥一體化灌溉時間：各處理分別于6月初枸杞萌芽展葉期、7月初開花坐果期、7月末夏盛果期、8月中旬秋盛果期灌水施肥一次，9月中旬與11月初對枸杞進行補灌，只灌水不施肥，全年共灌溉6次，施肥4次，對照組每次灌溉2 h，滴灌帶流量為1.5 L/h，灌溉過程中對灌溉情況進行檢查，防止水分外流。灌溉水主要來自當地機井與巴音河水庫，水質礦化度小于1 g/L。灌溉工具采用水桶與管徑1 cm滴灌帶。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分測定 采用Trime-IPH管式TDR系統測定土壤含水量(SWC)，TDR測管安放于距離樣本株樹干0.3 m處，觀測深度100 cm，每隔20 cm一層。分別在萌芽展葉期、開花坐果期、夏盛果期與秋盛果期測量土壤含水量，降雨及灌溉前后均加測一次。

式中：SWCi為第i層土壤含水量 (%)；BDi為i層土壤容重(g/cm3)；D為土壤深度(cm)，本研究中為20 cm。

枸杞生育期內耗水量采用水量平衡法計算：

式中：P為有效降雨量(mm)；I為灌水量(mm)；ΔS為不同階段土壤水分變化量(mm)；U為地下水補給量(mm)；R為徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)。由于試驗區地下水埋藏較深(>40 m)，地勢平坦且降雨量較小，同時滴灌濕潤深度較淺，U、R和D參數均忽略不計。

式中：Y為枸杞干果產量(kg/hm2)；ET為枸杞全生育期總耗水量(mm)。

式中：Y為枸杞干果產量(kg/hm2)；N為氮肥施用量(kg/hm2)。

1.3.2 枸杞產量測定 從7月末至8月末共采摘兩批枸杞果實，每批每隔7天采摘一次，枸杞隨采隨稱鮮果重。兩批果實總鮮果重即為當年鮮果總產量。各處理鮮果混合均勻后送至當地烘干房烘干(75℃，烘烤4～5 h)，統計兩批枸杞果實的干果總質量，即為相應處理的年干果產量。

1.3.3 經濟效益計算 凈收益為總收入與總成本的差值，其中總收入=枸杞干果產量×市場價格；總成本包括施肥費用、灌溉水費用、農田管理費用(包括旋耕、水肥灌溉、修剪樹枝、除蟲雜草等)、人工費(包括采摘果實及烘干費用等)。

1.4 數據整理與分析

試驗數據采用SPSS 19.0進行方差分析及相關性分析，多重比較采用Duncan法，并采用Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對0—100 cm土層土壤蓄水量的影響

由圖2可知，水氮互作對0—100 cm土層土壤蓄水量影響顯著。2018年高水(W1)處理下，N2和N3全生育期平均土壤蓄水量顯著高于N1處理，N2和N3處理間沒有顯著差異；低水(W3)處理下，N1和N2全生育期平均土壤蓄水量顯著高于N3處理，且N1和N2間沒有顯著差異。中水(W2)處理下，N2水平枸杞各生育時期土壤蓄水量顯著高于N1和N3水平，平均土壤蓄水量分別提高29.5%和34.1%。經過一年種植及秋季補灌，2019年0—100 cm土壤蓄水量顯著高于2018年，其中高水(W1)處理下，萌芽期至盛花期(S1～S2) 3個施肥水平間蓄水量差異不顯著，而盛花期至秋盛果期(S2～S4)，蓄水量表現為N3>N1>N2，且處理間差異達到顯著水平；中水(W2)處理下，各施氮處理間變化規律與2018年一致，表現為N2>N3>N1；低水(W3)處理下，整個生育期內各施肥處理平均土壤蓄水量表現為N3>N2>N1。可以看出不同灌溉處理下各施氮水平間土壤蓄水量變化不盡相同，水肥耦合效應明顯。

圖2 水氮互作對枸杞生育期土壤蓄水量的影響Fig. 2 Effects of water and nitrogen interaction on soil water storage (0–100 cm) at different growth stages of wolfberry

2.2 水氮互作對枸杞耗水量和水氮利用效率的影響

水氮互作對枸杞耗水量和水氮利用效率影響顯著 (表2)。與高氮(N1)處理相比，W1、W2和W3灌水處理下N2和N3處理的耗水量分別增加1.7%～5.8%、10.8%～38.7%和19.2%～31.0%(P<0.05)。在同一施氮處理下，枸杞耗水量隨灌溉水平的提高而增加。與高灌溉量(W1)相比，W2和W3處理下的耗水量分別降低23.9%～53.4%和72.9%～102.7% (P<0.05)。不同灌水處理間的水分利用效率表現為W2>W3>W1。與W1相比，W2和W3分別提高79.4%和59.3%。方差分析表明，水分利用效率最高的水氮處理為W2N3 (灌水158 m3/hm2，施氮 207 kg/hm2)，兩年平均為 17.26 kg/(hm2·mm)。水氮互作對枸杞氮肥偏生產力的影響顯著(P<0.05)。兩年平均氮肥偏生產力表現為W2>W3>W1，在相同灌溉水平下，氮肥偏生產力隨施氮量增加顯著降低，各處理中以W2N3處理的平均氮肥偏生產力最高，為15.71 kg/kg。方差分析表明，灌水、施肥及其二者互作對枸杞水氮利用效率存在顯著影響。

表2 水氮互作對枸杞耗水量、水分利用效率和氮肥偏生產力的影響Table 2 Effects of water and nitrogen interaction on ET, WUE and NPP of wolfberry

2.3 水氮互作對枸杞產量和經濟效益的影響

由表3可知，水氮互作對枸杞干果產量、鮮果產量及經濟效益的影響存在顯著差異(表3)。可以看出，W2N3處理在2018和2019年平均干重、凈收益及產投比均達到最大值，分別為3252 kg/hm2、39500元/hm2及2.03，而平均鮮重量最大值出現在W2N2處理為8927 kg/hm2。不同灌水處理間產量和經濟效益整體表現為W2>W3>W1，與W1處理相比，W2和W3處理產量分別提高49.4%和29.1%，凈收益分別提高3.36和2.88倍，產投比分別提高49.1%和43.5%。在同一灌水處理下，枸杞的凈收益隨施氮量的降低而逐漸增加。與W2N1相比，W2N2和W2N3處理產量分別提高10.6%和16.7%，凈收益分別提高29.1%和41.6%。同時發現，兩年試驗期間枸杞價格差距較大，也是造成經濟效益產生差距的直接原因之一。

表3 水氮互作對枸杞產量與經濟效益的影響Table 3 Effects of water and nitrogen interaction on yield and economic benefit of wolfberry

2.4 水氮用量與枸杞產量、水分利用效率及經濟效益的回歸分析

通過建立3個模型來分析枸杞干果產量、水分利用效率和經濟效益隨灌溉量和施氮量的變化(圖3)。灌溉量和施氮量與枸杞產量(Y)、水分利用效率(WUE)和經濟效益(EB)的回歸方程分別為：

圖3 水氮用量與枸杞產量、水分利用效率和經濟效益的回歸方程Fig. 3 Relationships of yield, water use efficiency (WUE) and economic benefit with irrigation rates and N fertilizer rates

根據各指標與水氮施用量建立的二元二次回歸方程計算出各指標最大化下的相應水氮變量值。產量、WUE和經濟效益達到最大值時的灌溉量和施氮量分別為 165 mm、224 kg/hm2，140 mm、250 kg/hm2和 180 mm、240 kg/hm2。可以看出，WUE 若想達到最大值，灌溉量需較小；水肥投入量偏少時，無法實現產量與經濟效益的最優化。由此可見，生產中很難同時獲得所有指標的最大化。因此，本研究綜合評價產量、水肥利用及經濟效益表現，以達到各指標90%為目標，灌水量為150～160 m3/hm2，施氮200～220 kg/hm2是兼顧產量和經濟效益的最佳水肥配比，從而實現減肥節水增效的多重目標。

3 討論

3.1 水肥一體化對枸杞水氮利用的影響

合理的水肥條件能夠促進作物根系生長發育，增大根系與土壤接觸面積，有利于根系對土壤水分的吸收利用，從而提高水氮利用效率[21–22]。鄭國保等[23]研究表明，0—60 cm土層土壤含水量隨灌水量增加變化劇烈。劉敏等[24]研究表明，水氮配施量分別為2850 m3/hm2、750 kg/hm2(中水中氮水平)，可以同時滿足枸杞高產及水氮有效利用。本試驗研究表明，2018年各生育時期各處理土壤蓄水量變化較為明顯，其中W2N2處理全生育期土壤蓄水量顯著高于其他處理。W2N2與W2N3處理在連續兩年試驗期間水分利用效率均較高，但氮肥偏生產力W2N3處理顯著高于W2N2，說明合理的水氮配比才能保證水氮高效利用。適宜的土壤水分環境有利于枸杞植株根系生長，提高枸杞產量、肥料利用率及果實品質。隨時間推移，過量灌溉導致冗余水分在土壤中積聚，下滲到枸杞根系層以下造成水資源浪費及養分淋失[25]；當灌水量與施肥量都比較低時，土壤水分不足，會造成溶解養分不足，大量養分將聚集在土壤淺層，無法被根系吸收利用，從而影響枸杞的生長發育。

3.2 水肥一體化對枸杞產量和經濟效益的影響

水氮耦合可以在一定程度上提高水肥利用效率及節約成本，產量、水肥利用效率與經濟效益是衡量枸杞高產高效的主要指標，適宜的水氮運籌能提高作物水肥利用效率，從而獲得最佳產量和經濟效益[26]。前人通過水氮生產函數(作物產量和耗水量的擬合)得出最佳水氮優化方案，實現作物高產與高效統一[27–28]。鄧箴等[29]研究表明，灌溉定額232～246 mm，肥料施量 (N–P2O5–K2O) 為 420–269–330 kg/hm2是兼顧寧夏枸杞節水節肥的最優水肥方案。本試驗研究表明，與高水高肥處理相比，W2N2與W2N3 (節水灌溉 20%，減肥 20%～40%) 處理均增產顯著。這是由于適宜的水分與養分環境有利于提高氣孔導度及光合速率等指標，從而有利于產量增加[30–32]。此外本研究發現，枸杞年際間價格受市場供需關系影響波動較大，直接影響農戶收益，建議實際生產中制定合理的價格區間，保證農戶枸杞種植的利益最大化，也為節水減肥增效的水肥一體化技術推廣提供科學支撐。

3.3 兼顧產量和經濟效益的最佳水肥投入

前人通過多變量回歸和空間分析結合，建立水肥投入與作物產量和水肥利用效率之間的關系[33–34]。研究表明，各指標對應的最佳水氮配比不盡相同，甚至出現相反的效應。如叢鑫等[35]對小麥的研究發現，過量的水肥投入并不會使得產量和經濟效益持續增長，還會造成水肥資源浪費及地下水污染等問題。因地制宜，制定合理的灌溉施肥制度對當地枸杞可持續發展及環境保護具有重要意義。本研究通過建立水肥投入模型從空間角度分析灌溉和施氮對枸杞產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和經濟效益的影響，確定不同水氮條件下枸杞產量、水肥利用效率和經濟效益最大化的灌溉量和施氮量(灌水150～160 m3/hm2，施氮 200～220 kg/hm2)，為枸杞田間生產提供理論依據。

4 結論

水氮互作顯著影響生育期土壤蓄水量、耗水量、水分利用效率、產量及經濟效益。適度灌水(W2)，0—100 cm土層土壤蓄水量最高，耗水量較低。適度灌水條件下，減少氮肥施用量(N3)可提高枸杞水分利用效率及氮肥偏生產力，同時提高枸杞產量和凈收益，可以實現枸杞生產節水減肥及增產增收。綜合考慮，柴達木盆地枸杞生產的適宜灌水量為 150～160 m3/hm2，施氮量為 200～220 kg/hm2。